原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

线性光学量子计算为量子计算提供了一种理想的方法，只需要一小部分所需的计算元素。光子和声子之间的相似性表明使用声子代替光子进行线性机械量子计算的有趣潜力。尽管已经证明了单声子源和探测器，但声子分束器元件仍然是一个突出的需求。

有鉴于此，芝加哥大学A. N. Cleland等人展示了这样一个元件，使用两个超导量子位来完全表征具有单个声子的分束器。进一步使用分束器演示了双声子干涉，这是线性计算中对双量子位门的要求。这推进了一种用于实现线性量子计算的新形固态系统，进一步提供了巡回声子和超导量子位之间的直接转换。

设备描述

设备包含两个超导Xmon量子位Q₁和Q₂，它们通过两个可调耦合器G₁和G₂耦合到两个单向叉指换能器UDT₁和UDT₂。分束器由一组16个平行金属指组成，旨在反射大约一半的声信号，同时传输其余部分。每个量子位与其关联的 UDT之间的可变耦合器使得能够塑造声子发射。

图  设备描述和表征

单声子分束器及单声子干涉法

首先通过测量对两个量子位设置为3.925 GHz工作频率的单个声子的响应来表征系统。从获得的数据中，提取分束器反射率和有效巡回声子寿命，与BS设计的单独表征和先前对声子传播损耗的测量一致类似的系统。对生成的最终联合量子位状态执行双量子位状态层析成像，表明了声子分束器保持量子相干性。通过使用单个巡回声子执行类似Mach-Zehnder的干涉实验进一步证明了BS元素的相干性。

图  单声子干涉测量法

双声子干涉

接下来研究了双声子干涉。每个量子位发射一个声子，定时使声子以相对延迟t到达分束器，分束器输出随后被两个量子位捕获。虽然无法直接测量重合声子概率P₁₁，但可以用量子比特联合激发概率P_ee作为一个替代指标，通过实验发现P_ee和P₁₁成正比，实验P_ee也与大延迟和零延迟的模拟非常一致。展示了两个量子位在三个不同的相对延迟时的激发态概率，包括在声子发射期间获取的数据和捕捉过程。作者还通过改变相对中心频率和波包宽度来研究两个声子的不可区分性。双声子干涉实验结果观察到的能见度变化与方程式的预测非常一致。

图  双声子干涉

图  双声子干扰的频率和波包依赖性

参考文献：

H. QIAO, et al. Splitting phonons: Building a platform for linear mechanical quantum computing. Science, 2023, 380(6649): 1030-1033

DOI: 10.1126/science.adg8715

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8715